一起復(fù)合橫擔(dān)絕緣子斷裂原因的分析與探討

劉建軍，張廼龍，胡 鵬，趙 軒

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)南京供電公司，江蘇南京210029)

一起復(fù)合橫擔(dān)絕緣子斷裂原因的分析與探討

劉建軍1，張廼龍1，胡 鵬1，趙 軒2

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)南京供電公司，江蘇南京210029)

通過一起220 kV線路復(fù)合橫擔(dān)絕緣子斷裂引發(fā)線路跳閘的案例，分析查明絕緣子存在結(jié)構(gòu)強度不足的設(shè)計缺陷是導(dǎo)致故障發(fā)生的主要原因。同時發(fā)現(xiàn)由于缺乏驗證試驗，使得一些存在設(shè)計缺陷的復(fù)合橫擔(dān)絕緣子投入運行，造成了電網(wǎng)安全運行的隱患，需要排查整改。文章對復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)強度設(shè)計核算方法進行了探討，提出復(fù)合橫擔(dān)絕緣子在設(shè)計制造時應(yīng)根據(jù)自重、固定導(dǎo)線重量及設(shè)計風(fēng)載荷核算彎曲應(yīng)力，以及當(dāng)聯(lián)塔部件選用非中心對稱截面時必須明確安裝方向才能保證結(jié)構(gòu)受力安全的建議。

復(fù)合橫擔(dān)絕緣子；斷裂；原因分析；結(jié)構(gòu)受力

復(fù)合橫擔(dān)絕緣子是復(fù)合絕緣子的一種，用來保持導(dǎo)線與鐵塔、或?qū)Ь€之間的水平絕緣距離，主要應(yīng)用于架空輸電線路終端塔電纜引下線固定、同塔換位導(dǎo)線固定等場合。

由于復(fù)合絕緣子耐污閃性能優(yōu)異、憎水性強、重量輕等特點，使其在架空輸電線路中大量應(yīng)用[1]。近年來，國內(nèi)外對于復(fù)合絕緣子已進行了大量的研究，這些研究主要針對復(fù)合絕緣子的電氣特性、材料老化機理、運行監(jiān)測技術(shù)等方面[2-5]，并形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]。值得注意的是，復(fù)合橫擔(dān)絕緣子運行時主要承受彎曲載荷，與懸垂和耐張復(fù)合絕緣子承受拉伸荷載的受力方式存在很大不同。而且，由于復(fù)合橫擔(dān)絕緣子的承載力試驗屬于破壞性試驗，無法在現(xiàn)場進行試驗驗證，因此一些存在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造缺陷的產(chǎn)品因缺乏驗證投入了運行，給電網(wǎng)的安全運行造成了隱患。

1 某220 kV復(fù)合橫擔(dān)絕緣子斷裂原因分析

1.1 運行工況

2016年3月，某220 kV線路跳閘，經(jīng)現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)5號塔A相電纜引下線上端復(fù)合橫擔(dān)絕緣子根部斷裂，懸墜在空中，致使A相、B相電纜引下線因安全距離不足發(fā)生相間短路故障，引發(fā)線路故障跳閘。當(dāng)日天氣為小到中雨，東北風(fēng)約7級。復(fù)合橫擔(dān)絕緣子現(xiàn)場運行情況如圖1所示。

圖1 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子現(xiàn)場運行情況

1.2 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)

1.2.1 絕緣子整體結(jié)構(gòu)

發(fā)生斷裂的復(fù)合橫擔(dān)絕緣子安裝總長為2900 mm，雙傘結(jié)構(gòu)，其中大傘裙D148 mm，小傘裙 D116 mm，傘裙長度2540 mm。

圖2 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 斷裂處結(jié)構(gòu)

復(fù)合橫擔(dān)絕緣子通過兩端的金屬附件分別與鐵塔和電纜引下線相連。其中聯(lián)塔側(cè)金屬附件為邊長100 mm的正方形平板，厚度8 mm，本次斷裂就發(fā)生在正方形平板與連接復(fù)合絕緣子芯棒的圓管過渡部位，如圖3所示。

圖3 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子端部金屬附件結(jié)構(gòu)

1.3 斷裂金屬附件材料性能分析

為了分析復(fù)合橫擔(dān)絕緣子聯(lián)塔側(cè)金屬附件斷裂原因與其材料性能之間的相關(guān)性，遂對其進行材料成分、力學(xué)性能檢測和試驗，并對斷口面進行了分析。采用OBLF 750-Ⅱ型直讀光譜儀對聯(lián)塔側(cè)斷裂金屬附件進行了材料成分分析，其主要合金元素含量符合設(shè)計標(biāo)稱的ZG310-570對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[7]要求。采用MTS 810.25型電液伺服材料性能試驗機對材料的力學(xué)性能進行了檢測，其力學(xué)性能也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果如表1、圖4所示。

表1 斷裂金屬附件材料力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖4 斷裂金屬附件材料力學(xué)性能試驗曲線

采用ZEISS MA15型掃描電子顯微鏡對斷口進行了微觀分析，斷面未見陳舊性裂紋和鑄造缺陷，如圖5所示。由此可見，聯(lián)塔側(cè)金屬附件的材料性能與設(shè)計一致，材料性能并不是引發(fā)斷裂的原因。

圖5 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子端部金屬附件斷口形貌

1.4 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)現(xiàn)場安裝情況，復(fù)合橫擔(dān)絕緣子通過聯(lián)塔側(cè)金屬附件（方板）水平安裝，呈懸臂梁受力結(jié)構(gòu)。絕緣子運行狀態(tài)下的受力主要包括3個部分。一是自身的重力，方向為垂直向下；二是風(fēng)載荷作用力，由于絕緣子安裝高度在15 m以下，在此高度的風(fēng)受地面影響多為水平方向，風(fēng)載荷也為水平方向；三是端部固定導(dǎo)線的重量載荷，方向為垂直向下。因此絕緣子的結(jié)構(gòu)受力如圖6所示。

圖6 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子結(jié)構(gòu)受力圖（俯視）

1.4.1 計算參數(shù)

絕緣子自重m1=15 kg（實際測量值）；計算風(fēng)速V=17.1 m/s（按現(xiàn)場7級風(fēng)計算）；遠端導(dǎo)線重量m2= 3.2 kg（按該絕緣子承受下方3 m長LGJ 300/25導(dǎo)線重量計算[8]）；斷口寬度b=60 mm，厚度h=8 mm；絕緣子安裝長度l=2900 mm；絕緣子風(fēng)荷載作用面積AI= 2540 mm×148 mm（考慮最保守情況，按絕緣子投影面積計算）。

1.4.2 斷口部位受力計算

絕緣子聯(lián)塔側(cè)金屬附件斷面上的受力情況如圖7所示，其中A區(qū)承受由自重彎矩、導(dǎo)線彎矩以及風(fēng)載荷引起的拉應(yīng)力，B區(qū)承受由自重彎矩、導(dǎo)線彎矩引起的壓應(yīng)力，以及風(fēng)載荷引起的拉應(yīng)力，C區(qū)承受由自重彎矩、導(dǎo)線彎矩引起的壓應(yīng)力，以及風(fēng)載荷引起的壓應(yīng)力，D區(qū)承受由自重彎矩、導(dǎo)線彎矩引起的拉應(yīng)力，以及風(fēng)載荷引起的壓應(yīng)力。因此A區(qū)是承受拉應(yīng)力最大的區(qū)域，C區(qū)是承受壓應(yīng)力最大的區(qū)域。

圖7 斷口部位應(yīng)力分析圖

（1）絕緣子自重在斷口處產(chǎn)生的彎矩為：

此彎矩產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：

（2）連接導(dǎo)線自重在斷口處產(chǎn)生的彎矩為：

此彎矩產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：

（3）絕緣子風(fēng)荷載為[9]：

式（5）中：W0為基本風(fēng)壓，W0=V2/1600；計算風(fēng)速7級風(fēng)，V=17.1 m/s；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按B類地形15 m高，取1.14；B1為覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)，無覆冰現(xiàn)象，取1；AI為絕緣子串承受風(fēng)壓計算面積，取投影面積375 920 mm2。

風(fēng)荷載在斷口處產(chǎn)生的彎矩為：

此彎矩產(chǎn)生的最大應(yīng)力為：

根據(jù)計算參數(shù)，圖7所示斷口面上，各項彎矩及應(yīng)力的計算結(jié)果如表2所示。

斷面上的最大應(yīng)力σ=σ1+σ2+σ3=508.5 N/mm2。

表2 斷面彎矩和應(yīng)力計算結(jié)果

1.5 絕緣子根部金屬附件斷裂原因綜合分析

由前述材料性能檢測試驗和結(jié)構(gòu)受力分析，發(fā)生斷裂的復(fù)合橫擔(dān)絕緣子聯(lián)塔側(cè)金屬附件材料的性能符合設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)要求，但其應(yīng)力值已高達508.5 N/mm2,非常接近材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度極限570 N/mm2，說明結(jié)構(gòu)的安全裕度非常小。在遭遇大風(fēng)狀況時，由于橫擔(dān)絕緣子呈懸臂梁布置會發(fā)生晃動，其聯(lián)塔側(cè)金屬附件變截面處（發(fā)生斷裂的部位）在附加疲勞應(yīng)力的作用下應(yīng)力值就會超過材料的強度極限。因此復(fù)合橫擔(dān)絕緣子的聯(lián)塔側(cè)金屬附件變截面處在運行工況下應(yīng)力超過其材料的強度極限是導(dǎo)致絕緣子斷裂的直接原因。

由表2的計算結(jié)果還得知，斷面部位的應(yīng)力分量中自重和導(dǎo)線重量引起的應(yīng)力共占總應(yīng)力的95%以上，影響這兩個分量過大的因素主要為絕緣子的長度和聯(lián)塔側(cè)金屬附件的抗彎截面模量，而這兩個因素均與其設(shè)計直接相關(guān)，由自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致應(yīng)力過大說明該型號絕緣子存在較大的設(shè)計缺陷。

2 復(fù)合橫擔(dān)絕緣子承載力設(shè)計問題探討

與耐張和懸垂復(fù)合絕緣子不同，復(fù)合橫擔(dān)絕緣子承受的主要是彎曲載荷，而彎曲載荷與絕緣子的長度及絕緣子根部承載截面的結(jié)構(gòu)形式有很大相關(guān)性，甚至相同截面不同安裝方式其截面抗彎模量也不相同，導(dǎo)致截面上的應(yīng)力會明顯不同。一般而言，絕緣子的長度受爬電距離的限制，設(shè)計時難以明顯縮短，但其塔側(cè)金屬附件截面形式卻可以優(yōu)化設(shè)計，使絕緣子的最大應(yīng)力值控制在安全范圍之內(nèi)。

由式（2）、式（4）、式（6）可以看出，增加截面抗彎模量W可顯著降低應(yīng)力值。對于矩形截面，截面抗彎模量Wr=bh2/6，對于圓形截面，截面抗彎模量Wc=πr3/4，可見增大截面積，或者在相同截面積的情況下增大平行于彎矩截面的結(jié)構(gòu)尺寸（h）可明顯增大截面抗彎模量，起到減小截面應(yīng)力的作用。需要注意的是，設(shè)計時核算的截面安裝方向需要在安裝手冊中注明，因為非中心對稱截面不同安裝方向其截面抗彎模量也會有差異。在例如本文案例中的復(fù)合橫擔(dān)絕緣子聯(lián)塔側(cè)金屬附件為矩形截面，當(dāng)其水平安裝時截面抗彎模量為640 mm3，垂直安裝時截面抗彎模量為4800 mm3，截面積相同，但截面抗彎模量卻相差7.5倍。不僅直接影響了重力載荷引起的應(yīng)力分量，還導(dǎo)致風(fēng)載荷應(yīng)力分量發(fā)生了明顯改變。圖8展示了水平和垂直2種安裝方式下截面應(yīng)力隨風(fēng)速的變化規(guī)律?？梢娐?lián)塔側(cè)金屬附件水平安裝時應(yīng)力分量主要來自于自重和導(dǎo)線的重量彎矩，風(fēng)載荷對應(yīng)力的影響很小。但當(dāng)其垂直安裝時，風(fēng)載荷則成為主要應(yīng)力分量來源。

圖8 2種安裝方式下截面應(yīng)力隨風(fēng)速變化規(guī)律

在工程上，為了確保設(shè)備在服役期間能正常工作，就需要控制設(shè)備材料的運行應(yīng)力不得超過許用應(yīng)力。許用應(yīng)力通過破壞應(yīng)力與安全系數(shù)的比值來確定，對于延性材料通常以屈服強度為破壞應(yīng)力，對于脆性材料一般取抗拉強度為破壞應(yīng)力。且延性材料的安全系數(shù)一般取1.0～2.5，脆性材料的安全系數(shù)一般取2.5～3.0，特殊情況需要更大[10]。在《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中，要求金具強度的安全系數(shù)不小于2.5[11]。本文案例中絕緣子聯(lián)塔側(cè)金屬附件的材質(zhì)為ZG310-570，從材料性能試驗曲線（圖4）可見其屬于脆性材料，因此其破壞應(yīng)力取材料抗拉強度、安全系數(shù)取2.5計算，材料的許用應(yīng)力為228 N/mm2。由圖8可見，該橫擔(dān)絕緣子水平安裝時結(jié)構(gòu)的運行應(yīng)力遠遠超過了許用應(yīng)力，垂直安裝時當(dāng)風(fēng)速超過16.5 m/s時運行應(yīng)力便超過了許用應(yīng)力，再一次說明了其在設(shè)計時對承載力考慮不足。

3 結(jié)束語

綜上分析，復(fù)合橫擔(dān)絕緣子在設(shè)計制造時應(yīng)重視結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計與核算，尤其是聯(lián)塔側(cè)金屬附件彎曲應(yīng)力的計算，考慮因素應(yīng)該包括自重、固定導(dǎo)線重量及設(shè)計風(fēng)載荷。由于截面形式會顯著影響彎曲應(yīng)力，當(dāng)絕緣子設(shè)計制造單位選用非中心對稱截面時，必須明確復(fù)合橫擔(dān)絕緣子的安裝方向。復(fù)合橫擔(dān)絕緣子目前尚無設(shè)計驗收規(guī)范，不排除其他單位也有存在類似設(shè)計缺陷的絕緣子投入了運行。為避免類似故障，可采用本文所述的強度校核方法進行核算，若存在運行應(yīng)力超過材料許用應(yīng)力的絕緣子，應(yīng)及時予以更換。

[1]陳 奇.高壓復(fù)合絕緣子應(yīng)用及老化狀態(tài)研究綜述[J].絕緣材料，2016，49(6)：7-13.

[2]王 言，賈志東，朱正一，等.基于流固耦合方法的強風(fēng)區(qū)復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40(1)：316-321.

[3]黃成才，李永剛，汪佛池，等.基于電導(dǎo)電流測試的硅橡膠復(fù)合絕緣子傘群材料老化特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報，2016，31(2)：252-259.

[4]姚莉娜，吳穎暉，王少華，等.掛網(wǎng)運行復(fù)合絕緣子的電氣及力學(xué)性能研究[J].絕緣材料，2015，48(8)：23-27.

[5]劉亞南，范立新，徐 鋼，等.基于改進相關(guān)向量機絕緣子污閃電壓預(yù)測研究[J].江蘇電機工程，2016，35(1)：7-10.

[6]GB/T 19519—2014架空線路絕緣子標(biāo)稱電壓高于1000 V交流系統(tǒng)用懸垂和耐張復(fù)合絕緣子定義、試驗方法及接收準(zhǔn)則[S].

[7]GB/T 11352—2009一般工程用鑄造碳鋼[S].

[8]GB T 1179—2008圓線同心絞架空導(dǎo)線[S].

[9]DL/T 5154—2012架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)[S].

[10]李紀(jì)仁.機械設(shè)計[M].武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999：59-60.

[11]GB50545—2010 110～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S].

Analysis and Discussion on the Fracture Reason of Composite Cross-arm Insulator

LIU Jianjun1,ZHANG Nailong1,HU Peng1,ZHAO Xuan2
(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute,Nanjing 211103,China; 2.State Grid Nanjing Power Supply Company,Nanjing 210019,Jiangsu Province,China)

A 220kV line tripped caused by the fracture of composite cross-arm insulator,the main reason of which is found out that the structural strength of the insulator is insufficient.Besides,for the lack of test,some composite cross-arm insulators with design defects have been applied to the power grid,bringing hazard to the power grid,and need to be investigated and rectified.Therefore,the structure strength calculation and design method of composite cross-arm insulator were discussed.It was proposed that the bending stress of composite cross-arm insulator should be calculated according to the weight of the insulator itself,the weight of fixed conductor and the designed wind load in the process of design and manufacture.A suggestion was also proposed that when components with non-central symmetrical section were used to connect composite cross-arm insulator to tower,the installation direction must be explicit,so that the structural force was within the limits.

composite cross-arm insulator;fracture;reason analysis;structural force

TM216

B

1009-0665（2016）06-0088-04

劉建軍（1979），男，甘肅天水人，高級工程師，從事電網(wǎng)設(shè)備材料檢測及狀態(tài)評價專業(yè)工作；

張廼龍（1981），男，河南信陽人，博士，從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及狀態(tài)評價專業(yè)工作；

胡 鵬（1989），男，安徽安慶人，碩士研究生，從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和狀態(tài)評價專業(yè)工作；

趙 軒（1984），男，江蘇淮安人，工程師，從事輸電線路運行維護管理等相關(guān)工作。

2016-07-20；

2016-09-02